高密度抑制防塌沖洗液體系在四川營山SY-1地?zé)峋械膽?yīng)用

王永全，李世昌，張凱

（中國煤炭地質(zhì)總局水文地質(zhì)局，河北 邯鄲 056004）

1 工程概述

四川省營山縣為實施新農(nóng)村示范片區(qū)建設(shè)，打造以旅游休閑養(yǎng)生為目的的形象和溫泉休閑養(yǎng)生旅游品牌，在東升鎮(zhèn)玉帝五湖山莊院內(nèi)布置了1口地下熱礦水探采井（SY-1井）。該井位于營山縣東升鎮(zhèn)玉帝五湖山莊內(nèi)，有效井深約2750 m（不進(jìn)入雷口坡組），取水目的層段為2350 m以下井段；要采取合理工藝技術(shù)和有效措施，確保施工不損害地下熱鹵水等資源。

1.1 地理位置及區(qū)域地質(zhì)概況

SY-1井主要區(qū)域構(gòu)造位于營山背斜的南西翼，營山背斜較寬緩，在井場附近的地層傾角為4°～6°，工區(qū)井場附近斷層不發(fā)育，地表未見斷裂構(gòu)造，僅在距擬設(shè)井場北西側(cè)15～25 km處有一系列斷裂構(gòu)造，但規(guī)模不大均為壓扭性斷層。

1.2 SY-1井地質(zhì)概況

SY-1井鉆遇地層自上而下詳見表1所示。

表1 SY-1井鉆遇地層Table 1 Lithology encountered during drilling

1.3 SY-1井鉆井施工概況

采用三開結(jié)構(gòu)，詳見表2。本井設(shè)計鉆深2750 m，根據(jù)新地?zé)峋@進(jìn)目的任務(wù)以及地層地?zé)岬刭|(zhì)條件，施工設(shè)備采用RT-40型石油鉆機(jī)及附屬設(shè)備，設(shè)備及器具構(gòu)成見表3。

表2 設(shè)計的井身結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)Table 2 Designed well structure data sheet

表3 鉆機(jī)與主要設(shè)備配置表Table 3 Drilling rig and main equipment

表層（0～60 m）：采用?445 mm牙輪鉆頭、泥漿正循環(huán)鉆進(jìn)，進(jìn)入完整基巖6.2 m；下入?339.7 mm套管。

一開（60～600 m）：采用?311 mm牙輪鉆頭、泥漿正循環(huán)鉆進(jìn)，下入?244.5 mm套管。

二開（600～2300 m）：自620.0 m開始采用? 215.9 mm牙輪鉆頭或PDC鉆頭螺桿復(fù)合（或滑動）定向泥漿正循環(huán)鉆進(jìn)。以鉆穿須家河組五段為宜、但必須鉆穿珍珠沖組為原則。下入?177.8 mm套管，井段套管外水泥固井。

三開（2300～2750 m）：采用?152 mm牙輪鉆頭泥漿正循環(huán)鉆進(jìn)。不鉆入雷口坡組為原則。使用尾管懸掛器方法下入?127 mm套管及圓孔式濾水管。

2 SY-1井施工中存在的主要問題及措施要求

2.1 漏失、溢流

除地?zé)崴疄楦邏蝴u水外，鉆進(jìn)過程中還鉆遇多段高壓油氣層，控制不當(dāng)易出現(xiàn)漏失、溢流的情況。要求：控制泥漿密度，及時消除泥漿中的有害雜質(zhì)，保持泥漿良好的性能，預(yù)防泥漿密度發(fā)生明顯變化，以防發(fā)生漏失和溢流現(xiàn)象［1-4］。

2.2 坍塌掉塊

鉆遇地層巖性以砂巖、泥巖為主，其間夾雜多段煤線，地層穩(wěn)定性較差，掉塊現(xiàn)象比較嚴(yán)重，井壁不規(guī)則，對鉆進(jìn)、起下鉆、下管產(chǎn)生一定的影響；須家河地層巖石硬度較大，影響鉆速；鉆達(dá)目的層泥漿受鹽侵比較嚴(yán)重。應(yīng)提前采用高密度防塌強(qiáng)抑制性泥漿預(yù)防坍塌，快速通過［5-6］。

2.3 氣侵、高壓鹵水

預(yù)計井深2730 m見高壓氣鹵層。鉆進(jìn)時應(yīng)預(yù)防泥漿密度下降，完井后，選擇合理的替噴方式，配合井控裝置安全起鉆［7-9］。

3 SY-1井高密度環(huán)保抑制防塌沖洗液體系設(shè)計

依據(jù)原地?zé)峋畤姅?shù)據(jù)以及收集的區(qū)域資料，SY-1井地?zé)峋A(yù)計須家河二段天然氣壓力達(dá)43 MPa。實鉆中本井主要產(chǎn)出氣地層為新田溝組下部、珍珠沖組及須家河組。珍珠沖組及須家河組出氣時檢測最大值超出固定式氣體檢測儀器測量量程（數(shù)據(jù)為：可燃?xì)猓撼隽砍?；H2S：無；CO：無；O2：23.90 ppm），測得主要氣體為可燃?xì)?，未發(fā)現(xiàn)H2S及氣體異常。工作區(qū)2220～2758 m三疊系上統(tǒng)須家河組地層多為鈣質(zhì)砂巖、粉砂巖夾少量泥巖，鉆進(jìn)過程中，局部層位破碎，該段地層孔隙-裂隙局部發(fā)育不均，由于地層中含高壓氣、水混合物。因此本井采用高密度抑制防塌沖洗液體系［10-12］。

3.1 高密度環(huán)保抑制防塌沖洗液材料優(yōu)選及加量確定

3.1.1 鈉基膨潤土的優(yōu)選

通過調(diào)研和現(xiàn)場取樣，獲得了國內(nèi)多個廠家的膨潤土樣品，對眾多廠家的膨潤土按國家標(biāo)準(zhǔn)《鉆井液材料規(guī)范》（GB/T 5005—2001）進(jìn)行評價，見表4。試驗結(jié)果表明鈉膨潤土-SD的流變性能較好，具有較好的造漿粘度，且API濾失量較低，其不同加量下的性能見表5。

表4 不同膨潤土沖洗液性能Table 4 Properties of drilling fluids with different bentonite

表5 鈉膨潤土-SD不同加量下的性能Table 5 Properties with different dosage of sodium bentonite-SD

試驗結(jié)果表明，鈉膨潤土-SD加量越高，沖洗液的濾失量越低；但加量超過4%時沖洗液粘度大幅度升高。膨潤土加量太低，為了降低濾失量，處理劑的加量會大幅度提高，成本將顯著增加；但加量高，不利于沖洗液流變性能控制。綜合考慮，體系基漿膨潤土的加量選擇為4%，即基漿配方為：淡水+4%鈉膨潤土-SD。

3.1.2 包被劑選擇

包被劑一方面能夠絮凝沖洗液中的劣質(zhì)土（即巖屑），有利于地表巖屑沉降；另一方面，具有較強(qiáng)的包被作用，防止巖屑分散而造成沖洗液粘度的快速提高。水敏性地層常用絮凝劑有：水解聚丙烯酰胺（PHP）、聚丙烯酸鉀（KPAM）及環(huán)保大分子包被劑，幾種處理劑的對比試驗結(jié)果見表6。

表6 包被劑對比試驗Table 6 Coating agent comparison test

試驗結(jié)果表明，環(huán)保型大分子包被劑的沖洗液粘度適中、API濾失量低，所以選擇BBJ作為體系的絮凝劑。

3.1.3 降濾失劑選擇

纖維素類、淀粉類、聚丙烯腈類、樹脂類及腐殖酸類產(chǎn)品都是常用的降濾失劑，在這5類產(chǎn)品中選擇具有代表性的產(chǎn)品，即低粘度羧甲基纖維素鈉鹽（LV-CMC）、接枝淀粉、環(huán)保型降濾失劑HJ-1，環(huán)保型抗鹽降濾失劑HLY、磺化酚醛樹脂做對比試驗，試驗結(jié)果見表7。

表7 降濾失劑對比試驗Table 7 Comparison test of infiltration reducers

試驗結(jié)果可以看出，環(huán)保型降濾失劑HJ-1，環(huán)保型抗鹽降濾失劑HLY降濾失效果較好，且不影響整體粘度，綜合考慮優(yōu)選環(huán)保型降濾失劑HJ-1，環(huán)保型抗鹽降濾失劑HLY這兩種材料作為體系的降濾失劑。

3.1.4防塌劑選擇

防塌劑又稱頁巖抑制劑，主要用于抑制水敏性地層吸水膨脹。本試驗優(yōu)選改性瀝青GLA、腐殖酸鉀、環(huán)保防塌劑HFJ。常規(guī)性能對比試驗采用基漿加上1%處理劑；抑制性膨脹試驗采用2%樣品水溶液，試驗用土為標(biāo)準(zhǔn)鈉基土，幾種產(chǎn)品對比試驗結(jié)果見表8、表9。試驗結(jié)果表明，加入環(huán)保防塌劑HFJ的濾失量最低，其抑制泥巖膨脹的性能好，并且環(huán)保防塌劑HFJ中不溶于水的顆粒對裂縫能起到封堵作用，進(jìn)一步提高井壁穩(wěn)定性，所以選擇環(huán)保防塌劑HFJ作為體系的防塌劑［13-14］。

表8 防塌劑對比試驗Table 8 Comparison test of anti-collapse agents

表9 抑制膨脹試驗Table 9 Expansion inhibition test

3.2 高密度環(huán)保抑制防塌沖洗液配方優(yōu)化及性能

3.2.1 高密度環(huán)保抑制防塌沖洗液配方

通過室內(nèi)正交試驗的極差分析法初步分析了各試驗指標(biāo)所對應(yīng)的水平的影響大小和最優(yōu)水平取值，綜合考慮各指標(biāo)的影響因素的主次并結(jié)合體系目標(biāo)性能確定防塌沖洗液的優(yōu)化配方為：4%鈉土-SD+1%～2%增粘劑HN-1+0.2%～0.5%環(huán)保型大分子包被劑+1%～3%環(huán)保降濾失劑HJ-1+1%～3%抗鹽濾失劑HLY+1%～2%環(huán)保防塌劑HFJ+重晶石［15-18］。

3.2.2 高密度環(huán)保抑制防塌沖洗液性能

高密度淡水沖洗液的常規(guī)性能見表10。

表10 高密度淡水沖洗液性能Table 10 Properties of conventional high density fresh water drilling fluids

4 高密度環(huán)保抑制防塌沖洗液體系在SY-1井應(yīng)用

4.1 一開井段（0～600 m）

（1）一開采用聚合物鈉土沖洗液體系，主要配方：清水+4%膨潤土+0.1%純堿+0.1%燒堿+1%～3%銨鹽+0.1%～0.3%高粘纖維素。循環(huán)補充膠液配方：清水+0.2%～0.5%環(huán)保大分子包被劑。

（2）維護(hù)處理要點：沖洗液性能主要控制高坂含、高粘切。按配方配制沖洗液，每鉆進(jìn)50 m加入1～2袋環(huán)保大分子包被劑；清除巖屑，維持泥漿的GEL（10″/10′）=2～5/8～15，漏斗粘度在35 s以上，同時以環(huán)保大分子包被劑配制膠液，按循環(huán)周均勻補充維護(hù)來調(diào)節(jié)沖洗液的流變性。根據(jù)井下?lián)p耗以及固控?fù)p失，適當(dāng)?shù)丶尤脘@鹽控制沖洗液的失水量，適當(dāng)使用固控設(shè)備降低沖洗液中劣質(zhì)固相，以保證性能的穩(wěn)定和合理的動塑比，保證泥漿的攜砂能力以及護(hù)壁能力。

4.2 二開井段（600～2160 m）

（1）二開采用聚合物環(huán)保防塌沖洗液體系，主要配方：一開井漿+0.2%～0.5%環(huán)保大分子包被劑+1%～1.5%環(huán)保降濾失劑HJ-1+0.5%～1%封堵劑FD-1+1%～2%環(huán)保防塌劑HF-1+1%～2%增粘劑HN-1+重晶石。循環(huán)補充膠液配方：清水+0.2%～0.5%環(huán)保大分子包被劑+1%～2%增粘劑HN-1。

（2）維護(hù)處理要點：井深1075 m后進(jìn)入下沙溪廟組，頂部頁巖地層存在掉塊現(xiàn)象。按照配方在井深900～1000 m時，調(diào)整沖洗液性能至目標(biāo)范圍，井深600～1000 m時沖洗液密度維持在1.15～1.25 g/cm3之間，漏斗粘度為30～50 s；井深1000 m之后，存在多層破碎帶，容易掉塊、坍塌，需要根據(jù)地層情況逐漸加大沖洗液密度以提高地層穩(wěn)定性，所以井深1000～1500 m時沖洗液密度維持在1.25～1.40 g/cm3，漏斗粘度為40～60 s。

平時補充材料時，環(huán)保大分子包被劑按每50 m添加1～2袋，其他材料均參考配方據(jù)實際情況補充。

利用固控設(shè)備及時清除沖洗液中的劣質(zhì)固相，振動篩、除砂器、除泥器使用率100%，離心機(jī)間斷使用，控制沖洗液含砂量≯0.5%。每鉆進(jìn)50 m清除沉砂罐一次。

4.3 三開井段（2160～2785 m）

（1）三開采用高密度環(huán)保抑制防塌沖洗液體系，主要配方：二開井漿+1%～2%增粘劑HN-1+0.2%～0.5%環(huán)保大分子包被劑+1%～3%環(huán)保降濾失劑HJ-1+1%～3%抗鹽濾失劑HLY+1%～2%環(huán)保防塌劑HFJ+重晶石，循環(huán)補充膠液。

（2）維護(hù)處理要點：開動離心機(jī)清除泥漿中無用固相；按配方添加增粘劑HN-1、環(huán)保降濾失劑、抗鹽濾失劑降低失水量及環(huán)保防塌劑維持井壁穩(wěn)定；補充0.5%～1%燒堿使pH值穩(wěn)定在10左右。

各開次沖洗液性能見表11。

表11 各開次沖洗液性能指標(biāo)Table 11 Performance index of drilling fluids for various well sections

4.4 特殊情況處理

4.4.1 氣侵及壓井情況

4.4.1.1 原地?zé)峋畾馇?、井噴情況

鉆進(jìn)到1437 m處時井噴（第一次），后調(diào)重漿壓井，繼續(xù)鉆進(jìn)到1452.16 m，下入?244.5 mm石油套管并固井，水泥返出地表。

鉆進(jìn)至2304 m，泥漿密度1.22 g/cm3。地層出氣（第二次）：井口測得可燃?xì)怏w100%，無CO和H2S，泥漿密度調(diào)高至1.35 g/cm3，井口無氣顯示，繼續(xù)鉆進(jìn)。

鉆進(jìn)至2736.96 m，地層為須家河組三段底部，遇高壓鹵水層（并含有氣和油），井口突然噴涌（第三次），噴出液體為密度1.13 g/cm3的鹽水。

4.4.1.2 探采井氣侵情況

本次施工探采井鉆進(jìn)至下沙溪廟1437 m處有氣侵顯示，經(jīng)過調(diào)整沖洗液密度至1.45 g/cm3后，實現(xiàn)平衡鉆井。

在井深2043 m（珍珠沖組，灰色、灰黑色粉砂巖）時發(fā)生溢流，當(dāng)時沖洗液密度1.45 g/cm3（關(guān)井前出漿口沖洗液密度），API濾失量10 mL，含砂量0.1%，pH值為10。隨后進(jìn)行了循環(huán)壓井作業(yè)。

4.4.1.3 壓井情況

井深2043 m處，壓井情況：

第一次壓井作業(yè)：將沖洗液密度加重至1.71 g/cm3，一邊加重沖洗液，一邊循環(huán)，在一個或多個循環(huán)周內(nèi)完成壓井作業(yè)。但在沖洗液返出井口后，由于條件所限加重速度慢，氣侵速度快，壓井未成功，關(guān)井。

第二次壓井作業(yè)：采用工程師法壓井，儲備密度為1.86 g/cm3重漿96 m3，先配制足量的壓井液，然后將配制好的壓井液泵入井內(nèi)，在一個循環(huán)周內(nèi)建立了壓力平衡。

4.4.2 漏失及堵漏情況

在鉆井過程中對簡易水文進(jìn)行了觀測，其漏失層位及堵漏情況見表12。

表12 鉆井過程沖洗液漏失及堵漏情況Table 12 Drilling fluid leakage and plugging during drilling

5 高密度環(huán)保抑制防塌沖洗液體系應(yīng)用效果

通過使用高密度抑制防塌沖洗液，井壁坍塌掉塊現(xiàn)象明顯減弱，保證了井徑的完整性，通過測井分析井眼的井徑擴(kuò)大率僅為8%，有效提高了后期的固井質(zhì)量。該沖洗液體系可有效提高巖屑的上返效率，防止鉆頭的重復(fù)研磨，沖洗液的潤滑性能有效降低摩阻，降低托壓，平均機(jī)械鉆速較之前提高近0.5倍。前期施工過程中，坍塌掉塊引起的井下事故，使得處理事故的時間較長，影響施工進(jìn)度，該鉆井液體系能有效控制事故發(fā)生，大大縮短處理事故的時間。高密度鉆井液體系可有效平衡地層壓力，控制溢流、井噴的情況發(fā)生，通過測量后效，該鉆井液體系控制氣侵時間是常規(guī)鉆井液的3倍以上。

6 結(jié)論

（1）新型環(huán)保沖洗液體系，具有良好的流變性和沉降穩(wěn)定性，合適的粘度、切力是高密度沖洗液維護(hù)的重點，可減少井下復(fù)雜情況的發(fā)生。

（2）新型環(huán)保沖洗液體系具有較強(qiáng)的抑制性和封堵性，因此護(hù)壁效果好，施工過程中井壁穩(wěn)定，保證了鉆井順利施工。

（3）新型環(huán)保沖洗液體系攜砂、潤滑效果好，SY-1井工合計施工90天（含下套管、固井、測井等輔助作業(yè)），累計施工2140 m，平均效率23.78 m/天，有效地保障了鉆探效率。

（4）新型環(huán)保沖洗液體系可有效平衡地層異常高壓，有效控制氣侵、鹽侵導(dǎo)致的鉆井液性能降低。